Bộ điều khiển mờ luật PI nếu thiết kế tốt có thể điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng bộ điều khiển này làm chậm đáp ứng của hệ thống và trong nhiều trường hợp quá điều chỉnh xảy ra dao động.
ạ Cấu trúc bộ điều khiển mờ luật PI
Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ như trình bày ở hình 2.3, dễ dàng thấy rằng trong hai sơ đồ trên tín hiệu ra của bộ điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vàọ Tuy nhiên, sơ đồ hình 2.3a rất khó thực hiện vì theo kinh nghiệm hầu như không thể đưa ra các quy tắc điều khiển dựa vào tích phân
39 của sai số. Do đó chỉ có sơ đồ điều khiển PI mờ như hình 2.3b mới được sử dụng trong thực tế. Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0. Tuy nhiên cũng cần để ý rằng, bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ thống và làm cho quá trình điều chỉnh có dao động.
ĐỐI TƯỢNG r(t) E - BỘĐIỀU KHIỂN PI MỜ y(t) U IE a) ĐỐI TƯỢNG r(t) E - BỘĐIỀU KHIỂN PI MỜ y(t) U d/dt DE DU b)
Hình 2.3. Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ
Để thuận tiện cho việc thiết kế và chỉnh định, ta bổ sung các hệ số tiền xử lý và hậu xử lý K1, K2, K3 cho bộ điều khiển PI mờ như hình 2.4.
K1 ĐỐI TƯỢNG r(t) E - BỘĐIỀU KHIỂN PI MỜ y(t) U K2 d/dt DE K3 E DE DU U
Hình 2.4. Bổ sung các hệ xử lý cho bộ điều khiển PI mờ
b. Ví dụ ứng dụng
Xây dựng bộ điều khiển mờ luật PI điều khiển tốc độ động cơ điện một chiềụ Động cơ DC có đặc tính mô tả bởi hai phương trình vi phân:
( ) 1 ( ) Kb ( ) ( ) di t R i t t u t dt = − L − L ω +L ( ) Km ( ) ( ) d t B i t t dt J J ω ω = − − ( ) u t - điện áp phần ứng (tín hiệu vào) ( )t ω - tốc độ quay của động cơ (tín hiệu ra) ( ) i t - dòng điện phần ứng
40 Các thông số của động cơ như sau: Điện trở phần ứng R=1Ω, điện cảm phần ứng L=0.33 H, hằng số moment Km=0.2, hằng số sức điện động Kb=0.2, moment quán tính của tải J=0.02 kg.m2, hệ số ma sát B=0.2 Nms. Điện áp u(t) cấp cho phần ứng động cơ tối đa 120VDC.
Ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống như hình 2.5.
K1 ĐỘNG CƠĐIỆN MỘT CHIỀU nđặt E - + BỘĐIỀU KHIỂN PI MỜ nthực U K2 d/dt DE K3 E DE DU U
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Bước 1: Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm: hai tín hiệu vào là sai lệch E , đạo hàm sai lệch DE và một tín hiệu ra DỤ Cấu trúc của bộ điều khiển mờ được minh họa như hình 2.6.
Hình 2.6. Cấu trúc bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Bước 2: Định nghĩa tập mờ
Xác định giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ như sau: E ={NB, NS, ZE, PS, PB}
DE ={NB, NS, ZE, PS, PB}
DU=={NB, NM, NS, ZE, PS, PM PB}
Giả sử tín hiệu đặt tối đa là 60 rad/s, các hệ số chuẩn hóa của bộ điều khiển mờ như sau: K1=1/60; K2=1/60, K3=120.
Xác định hàm thuộc cho các biến ngôn ngữ E, DE, DU như hình 2.7, hình 2.8, hình 2.9.
41
Hình 2.7. Mờ hóa đầu vào E cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều
Hình 2.8. Mờ hóa đầu vào DE cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều
Hình 2.9. Mờ hóa đầu ra DU cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều
Bảng 2.1. Bảng các luật điều khiển bộ điều khiển PI mờ
Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)
Xây dựng các luật điều khiển như bảng 2.1
Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành
Chọn thiết bị hợp thành là MAX – MIN, minh họa như hình 2.10.
Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ
Chọn nguyên lý giải mờ điểm trọng tâm, minh họa như hình 2.10.
Hình 2.10. Chọn thiết bị hợp thành và phương pháp giải mờ
cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
42
c. Xây dựng chương trình mô phỏng trên Matlab-Simulink
Xây dựng bộ điều khiển mờ như hình 2.11.
Hình 2.11ạ Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển mờ cho bài toán điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều
Hình 2.11b. Xây dựng hàm thuộc cho biến E cho bài toán điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều
Hình 2.11c. Xây dựng hàm thuộc cho biến DE cho bài toán điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều
Hình 2.11d. Xây dựng hàm thuộc cho biến DU cho bài toán điều khiển tốc độ
43
Hình 2.11ẹ Xây dựng luật điều khiển cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện
một chiều
Hình 2.11f. Đặc tính vào ra bộ điều khiển mờ trong bài toán điều khiển tốc độ động
cơ điện một chiều
Xây dựng mô hình mô phỏng bộ điều khiển PI mờ điều khiển tốc độ động cơ như hình 2.12.
Hình 2.12.Chương trình mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PI mờ của bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển trên Matlab Simulink như hình 2.13
Hình 2.13. Đồ thị đáp ứng tốc độ động cơ của bộ điều khiển PI mờ của bài toán điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
44 Kết quả mô phỏng trên cho thấy chất lượng bộ điều khiển mờ đạt chỉ tiêu chất lượng: không có độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ ngắn.